Оптические, электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиФорш Екатерина АлександровнаОПТИЧЕСКИЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАНАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОКСИДА ИНДИЯ01.04.10 – Физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор П.К. КашкаровОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор В.А. Кульбачинскийкандидат физико-математических наук,начальник лаборатории В.Л.

ЛясковскийВедущая организация:Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшегопрофессионального образования«Национальный исследовательскийуниверситет «МИЭТ»Защита состоится « 6 » июня 2013 года в 17.30 часов на заседании Диссертационногосовета Д 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35, конференцзал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУимени М.В.

Ломоносова (Ломоносовский пр., д. 27).Автореферат разослан « 25 » апреля 2013 года.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессорГ.С. Плотников2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Оксид индия (In2O3) находит широкое применение всовременнойтехнике.Будучиоптическипрозрачнымширокозоннымполупроводником, In2O3 используется для производства компонент высокомощныхполупроводниковых приборов (тиристоров, варисторов), ультрафиолетовых фильтров,фотодетекторов, фотопреобразователей, оптоэлектронных устройств. В то же самоевремя In2O3 является чувствительным к содержанию в атмосфере таких газов, как NO,NO2, CO, CO2, O3, что делает его одним из основных материалов для создания сенсороврезистивного типа, детектирующих указанные газы.

В последнее время вниманиеисследователей в области сенсорики привлекают образцы нанокристаллическогооксида индия – материала, состоящего из зерен кристаллического In2O3 нанометровогоразмера. Дело в том, что уменьшая размер нанокристаллов, можно заметно увеличитьудельную поверхность образца, что приведет, в свою очередь, к увеличениючувствительности сенсора на основе In2O3. Поскольку сенсоры на основе In2O3являются приборами резистивного типа (т.е.

их сопротивление меняется в результатеадсорбции), то первоочередной вопрос для создания таких сенсоров с оптимальнымихарактеристиками состоит в выяснении механизмов переноса носителей заряда внанокристаллическом In2O3. Этот же вопрос является важным и в случае использованиянанокристаллического In2O3 при создании электронных и оптоэлектронных приборов.На данный момент большинство работ посвящено исследованию электрическоготранспорта в хорошо проводящем и прозрачном в видимой области спектра сложномоксиде на основе SnO2 и In2O3 (именуемом в литературе как ITO). Существуют такжеработы по механизмам проводимости в монокристаллическом и поликристаллическом(состоящем из кристаллов микронного размера) In2O3.

Однако переход в областьнанометровых размеров может существенным образом изменить как величинупроводимости, так и механизм переноса носителей заряда, за счет появления большогочисла локализованных поверхностных состояний и, возможно, проявления квантоворазмерных эффектов. В настоящее время не существует единой точки зрения намеханизмы переноса носителей заряда в нанокристаллическом In2O3. Кроме того, неустановлена корреляция между электрическими и структурными свойствами (размеромнанокристаллов, величиной площади удельной поверхности) нанокристаллическогоIn2O3.Как для практических приложений, так и для выяснения фундаментальныхзакономерностей необходимо изучить вопрос о влиянии адсорбции молекул на3электрофизические свойства образцов нанокристаллического In2O3 с различнымразмером нанокристаллов. На данный момент продолжается дискуссия о влиянииадсорбции молекул на транспорт носителей заряда в нанокристаллическом In2O3.

Такженепроведеносистематическихнанокристаллическогонанокристаллов.ВнанокристаллическоговIn2O3частности,In2O3исследованийусловияхнеткданныхмолекуламзависимостиадсорбциипоNO2молекулизменениюприпроводимостиотразмеровчувствительностиуменьшенииразмеровнанокристаллов до единиц нанометров.Одно из активно развивающихся сейчас направлений газовой сенсорики – этосозданиеполупроводниковыхгазовыхсенсоров,работающихвусловияхдополнительной подсветки. Важным для использования нанокристаллического In2O3 втаких приборах является вопрос о его оптических и фотоэлектрических свойствах.Исследование оптических и фотоэлектрических свойств нанокристаллического In2O3также ключевой вопроси в случае создания на его основе фотодетекторов,фотопреобразователей и иных оптоэлектронных устройств.

На данный моментпроцессы,определяющиеоптическиесвойстваифотопроводимостьнанокристаллического In2O3, однозначно не установлены.Цель настоящей диссертационной работы – проведение фундаментальныхисследованийэлектрических,оптическихифотоэлектрическихсвойствнанокристаллического оксида индия с различным размером нанокристаллов с цельюопределения механизмов генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда ивыявления корреляции между структурными особенностями (размером нанокристаллови площадью удельной поверхности) нанокристаллического оксида индия и егоисследуемыми свойствами.Основные научные задачи работы:1.

Изучить электрические свойства нанокристаллического оксида индия с цельюопределения механизмов переноса носителей заряда и влияния на нихразмеров нанокристаллов.2. Исследовать влияние адсорбции молекул-окислителей (на примере диоксидаазота ) на проводимость оксида индия с различным размером нанокристаллови площадью удельной поверхности с целью выяснениямеханизмовпроводимости в условиях адсорбции и определения влияния размеровнанокристаллов и площади удельной поверхности на чувствительность к NO2.43. Исследовать оптические свойства нанокристаллического оксида индия с цельюопределения оптической ширины запрещенной зоны и выяснения природыэлектронных переходов при поглощении светового излучения.4.

Изучить фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия ивлияния на них размеров нанокристаллов с целью установления механизмов,определяющих фотоэлектрические особенности исследуемого материала.Объекты и методы исследования. Для решения поставленных задач в качествеобъектов исследования были выбраны нанокристаллические образцы оксида индия сразмером нанокристаллов от 7 до 20 нм. Эксперименты проводились с использованиемследующих методов: рентгеновской дифракции; просвечивающей микроскопии; адсорбционного определения удельной площади поверхности в рамкахмодели БЭТ; импеданс-спектроскопии; определения электрических свойств на постоянном токе; спектроскопии диффузного отражения; спектроскопии пропускания и отражения в ультрафиолетовом, видимом иинфракрасном диапазонах спектра; фотоэлектрической спектроскопии; измерения электропроводности при адсорбции NO2.Достоверность полученных результатов.

определяется применением наборасовременныхполученныхвзаимно-дополняющихэкспериментальныхэкспериментальныхданныхнаразличныхметодик,согласиемобразцах,атакжесопоставлением некоторых данных экспериментов с результатами работ другихавторов, выполненных на схожих образцах.Научная новизна.

В результате проведенных в диссертационной работеисследований получен ряд новых результатов по проводимости, фотопроводимости,оптическим свойствам и влиянию адсорбции активных молекул на проводимостьнанокристаллического In2O3:1. В области температур T=50÷300 K определены механизмы переноса носителейзаряда в образцах нанокристаллического In2O3 с размерами нанокристаллов от7 до 20 нм.2. Определен «оптимальный» размер нанокристаллов, при котором наблюдаетсямаксимальная чувствительность нанокристаллического In2O3 к диоксиду азота.53. Определенаоптическаяшириназапрещеннойзонывобразцахнанокристаллического оксида индия с размерами нанокристаллов от 7 до 20нм.4. Исследованаспектральнаязависимостьфотопроводимостиобразцовнанокристаллического оксида индия со средними размерами нанокристалловот 7 до 20 нм.

Обнаружено, что в области энергий падающего излученияh3,2 эВ (практически совпадающей для образцов с различным размеромнанокристаллов) наблюдается максимальное значение фотопроводимостинанокристаллического In2O3. В то же время установлено, что размернанокристаллов влияет на значение энергии падающего излучения, прикотором появляется фотопроводимость.5. Исследованывременныезависимостиспадафотопроводимостинанокристаллического оксида индия в воздухе, вакууме и аргоне. Обнаружено,что после выключения освещения наблюдается долговременной спадфотопроводимости (уменьшение фотопроводимости в e раз происходит завремя порядка нескольких часов и зависит от размера нанокристаллов иокружающей среды), описываемый растянутой экспонентой.6. Установлено,чтохарактерноевремяспадафотопроводимостинанокристаллического оксида индия уменьшается с уменьшением размерананокристаллов.

Предложена модель, объясняющая долговременной спадфотопроводимости.Основные положения, выносимые на защиту. В рамках проведенныхисследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:1. В температурном интервале Тo<Т<300 К (Тo=200 K для образца со среднимразмером нанокристаллов 7 нм, Тo=170 K для образца со средним размеромнанокристаллов 12 нм и Тo=160 K для образца со средним размеромнанокристаллов 20 нм) перенос носителей заряда в нанокристаллическомоксиде индия происходит по делокализованным состояниям.2. Транспорт электронов при Т<Тo в нанокристаллическом оксиде индияосуществляетсязасчетпрыжковполокализованнымсостояниям,находящимся вблизи уровня Ферми.3. При адсорбции диоксида азота механизм переноса носителей заряда внанокристаллическом оксиде индия не изменяется, но наблюдается резкоеуменьшение величины проводимости In2O3.